孫志剛

安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽 宿州 234000

淺談區(qū)域重力勘查中GPS技術(shù)的應(yīng)用

孫志剛

安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽 宿州 234000

本文主要介紹GPS技術(shù)用于青海省魚卡煤田1: 5 萬區(qū)域重力勘查的工作，包括地面控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)量、控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、重力點(diǎn)的測(cè)量、處理和檢核和精度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，將GPS 接收機(jī)用于區(qū)域重力勘查的工作是可行的，并且在實(shí)際工作中效果顯著。

GPS；RTK；重力

概述

全球定位系統(tǒng)（GPS）具有全天候、高精度、高效率、自動(dòng)化等顯著特點(diǎn)，近幾年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)、城市以及工程測(cè)量中。青海省魚卡煤田1:5萬區(qū)域重力勘查工作，是配合青海省魚卡煤田整裝勘查項(xiàng)目的實(shí)施，查清魚卡煤田的煤系地層基底的起伏形態(tài)以及較大的斷裂構(gòu)造。該勘查區(qū)屬于高原地區(qū)、地形起伏大、河流橫穿測(cè)區(qū)，因此在該地區(qū)進(jìn)行重力勘查比較艱苦。

現(xiàn)就青海省魚卡煤田1: 5萬區(qū)域重力勘查GPS技術(shù)的實(shí)際操作為例，說明在該區(qū)域重力勘查中的應(yīng)用。

1 測(cè)區(qū)概況

工作區(qū)域位于柴達(dá)木盆地北緣中段，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達(dá)肯達(dá)坂山之間，西起云霧山、嗷嘮山，東止小紅山。行政區(qū)劃隸屬青海省海西州大柴旦行委。東經(jīng)94°33′47″～95°15′59″，北緯37°48′43″～38°18′48″，重力勘查的面積約為1000km2,測(cè)區(qū)內(nèi)以戈壁荒灘和低山丘為主，平均海拔3200～3400m，周圍高山海拔可達(dá)4000m以上，魚卡河、羊水河和嗷嘮河是主要河流，315和215國(guó)道在魚卡交匯，分別穿越該區(qū)的北部和南部。

2 作業(yè)依據(jù)與設(shè)備

2.1 作業(yè)依據(jù)

（1）《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）；

（2）《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T 2009-2010）；

（3）《區(qū)域重力調(diào)查規(guī)范》(DZ／T 008 2—2006；

（4）《重力勘查設(shè)計(jì)書》

2.2 儀器設(shè)備

采用的儀器設(shè)備和軟件：六臺(tái)上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司生產(chǎn)的華測(cè)X90一體化雙頻GPS接收機(jī), 該接收機(jī)具有先進(jìn)的測(cè)量型GNSS主板；高精度的L1、L2偽距、載波相位觀測(cè)值；54通道“全視野”L1/L2載波相位觀測(cè)；兼容VRS、MAX等連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)等特點(diǎn)，其標(biāo)稱靜態(tài)平面精度為±（5+1*10-6*D）mm；高程精度為±(10+2*10-6*D）mm，接收機(jī)在作業(yè)前均通過檢驗(yàn)、檢定，性能和精度指標(biāo)符合規(guī)范要求。南方地形地籍CASS軟件一套。

3 GPS 控制網(wǎng)布設(shè)、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理

3.1 控制網(wǎng)布設(shè)、測(cè)量

由于勘查區(qū)測(cè)量面積較大，需要對(duì)整個(gè)勘查區(qū)統(tǒng)一布設(shè)GPS控制網(wǎng)，方便以后重力點(diǎn)測(cè)量，控制網(wǎng)點(diǎn)均勻布設(shè)在國(guó)家等級(jí)GPS點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，并與高等級(jí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于3點(diǎn)。控制網(wǎng)呈三角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?？刂凭W(wǎng)點(diǎn)位選擇在遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源200米以外，高壓輸電線和微波無線電傳送通道50米以外，交通方便，地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)位長(zhǎng)期保存位置。[1]

工作區(qū)已有控制點(diǎn)情況：共有九個(gè)四等及以上等級(jí)的國(guó)家等級(jí)控制點(diǎn)，屬1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)。工作區(qū)采用平面為l954年北京坐標(biāo)系，1956年黃海高程系，中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)93。，6。投影分帶的第16帶。

GPS控制網(wǎng)測(cè)量使用六臺(tái)華測(cè)X90雙頻GPS接收機(jī),同步觀測(cè)1小時(shí)以上，采樣間隔10s，衛(wèi)星截止高度角15。，PDOP≤6。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用華測(cè)HcLoader軟件把觀測(cè)數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成Rinex標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，采用南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。

控制網(wǎng)（如圖1表示）總點(diǎn)數(shù)33個(gè)，其中已知點(diǎn)6點(diǎn)，未知點(diǎn)27點(diǎn)。經(jīng)基線處理全網(wǎng)由41個(gè)三邊同步環(huán)，205個(gè)三邊異步環(huán)組成，獨(dú)立基線數(shù)103條（均為雙差固定解），網(wǎng)點(diǎn)間平均點(diǎn)間距離為6.9公里?；€解算后對(duì)同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線進(jìn)行檢核，各項(xiàng)精度滿足要求。

圖1 控制網(wǎng)觀測(cè)圖

進(jìn)行無約束平差，檢核WGS一84坐標(biāo)及其中誤差，直角坐標(biāo)及其中誤差，誤差橢圓，平面坐標(biāo)及其中誤差點(diǎn)位中誤差及誤差橢圓，平面邊長(zhǎng)與坐標(biāo)方位角及其中誤差，GPS觀測(cè)值及其改正值和平差值。

再進(jìn)行約束平差，經(jīng)平差后最弱邊相對(duì)中誤差1：10萬,最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差3.9cm，最弱點(diǎn)高程中誤差4.58cm。以上數(shù)據(jù)表明,控制網(wǎng)成果可靠。

4 RTK基本原理、組成

重力勘查區(qū)比例尺為1:5萬，網(wǎng)度為500×500（m），點(diǎn)位分布比較均勻，測(cè)量采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK的作業(yè)方式。使用六臺(tái)華測(cè)X90雙頻GPS接收機(jī), 該接收機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）標(biāo)稱精度為±（10+1*10-6*D）mm；高程精度為±（20+1* 10-6*D）mm。

4.1 RTK基本原理

RTK(Real Time Kinematic)是基于載波相位差分的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)點(diǎn)（用戶站）在指定坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)成果。[2]其設(shè)備是在兩臺(tái)靜態(tài)型測(cè)量?jī)x器間加上一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（數(shù)據(jù)鏈），將相對(duì)獨(dú)立的GPS信號(hào)接收系統(tǒng)連成一個(gè)有機(jī)整體?；鶞?zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息（包括偽距和載波相位觀測(cè)值）和基準(zhǔn)站的信息（如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、天線等）都通過通訊系統(tǒng)傳送到流動(dòng)站，流動(dòng)站本身在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)，也接收基準(zhǔn)站傳送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在流動(dòng)站完成初始化后，把接收到的基準(zhǔn)站信息傳到控制器內(nèi)（一般是微型計(jì)算機(jī)），并將基準(zhǔn)站的載波觀測(cè)信號(hào)與本身接收到的載波觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時(shí)求解得出兩站間的基線值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可實(shí)時(shí)求得實(shí)用的位置坐標(biāo)

4.2 RTK系統(tǒng)組成

RTK系統(tǒng)由一個(gè)基準(zhǔn)站，若干個(gè)流動(dòng)站及通訊系統(tǒng)三部分組成?；鶞?zhǔn)站包括GPS接收機(jī)，GPS天線，無線電通訊發(fā)射設(shè)備，供GPS接收機(jī)和無線電通訊設(shè)備使用的電源及基準(zhǔn)站控制器等部分。一個(gè)流動(dòng)站包括GPS天線，GPS接收機(jī)，電源，無線電通訊接收設(shè)備及流動(dòng)站顯示控制器。

5 重力點(diǎn)測(cè)量、處理、檢核和精度統(tǒng)計(jì)

5.1 重力點(diǎn)測(cè)量、處理

5.1.1 基準(zhǔn)站和流動(dòng)站設(shè)置

基準(zhǔn)站架設(shè)在視野比較開闊，周圍環(huán)境比較空曠的地方，地勢(shì)比較高的地方；避免架在高壓輸變電設(shè)備附近、無線電通訊設(shè)備收發(fā)天線旁邊，這些都對(duì)GPS信號(hào)的接收以及無線電信號(hào)的發(fā)射產(chǎn)生不同程度的影響?；鶞?zhǔn)站上架設(shè)好GPS接收機(jī)，連接無線電設(shè)備，連接發(fā)射天線和電源，啟動(dòng)GPS接收機(jī)。

在流動(dòng)站RECON手簿中，在 “坐標(biāo)系統(tǒng)管理”里面新建一個(gè)新的坐標(biāo)系統(tǒng)或配置已有的坐標(biāo)系統(tǒng)（尤其要確定中央子午線和已經(jīng)知點(diǎn)匹配）；新建立一個(gè)作業(yè)文件，輸入任務(wù)名稱為yk17.rpb，選擇所要工作的坐標(biāo)系統(tǒng)；然后控制把測(cè)區(qū)已知的GPS控制點(diǎn)WGS84系坐標(biāo)和1954年北京系坐標(biāo)導(dǎo)入流動(dòng)站控制手簿建立測(cè)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。連接好移動(dòng)站，如果無線電和衛(wèi)星接收正常，移動(dòng)站開始初始化。顯示順序?yàn)椋捍跓o數(shù)據(jù)!正在搜星!單點(diǎn)定位!浮動(dòng)!固定，固定后方可開始測(cè)量工作，否則測(cè)量精度較低，然后啟動(dòng)流動(dòng)站到已知控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量重置當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，再到另外已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，無誤后進(jìn)行重力點(diǎn)測(cè)量。

5.1.2 野外測(cè)量

采用RTK技術(shù)進(jìn)行重力點(diǎn)測(cè)量，就是將設(shè)計(jì)好的每個(gè)重力點(diǎn)理論坐標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)放樣。首先把重力點(diǎn)理論坐標(biāo)，傳輸至流動(dòng)站手簿中，然后按照測(cè)線、測(cè)點(diǎn)號(hào)在實(shí)地進(jìn)行逐個(gè)放樣，標(biāo)定其準(zhǔn)確位置，并實(shí)時(shí)采集各個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。

5.1.3 數(shù)據(jù)處理

在野外采集的重力點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在流動(dòng)站手簿中，在手簿測(cè)地通軟件里把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為需要的*.CSV格式，經(jīng)同步軟件Microsoft ActiveSync傳輸至計(jì)算機(jī)中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，提供重力勘查所需的測(cè)量成果。為檢查測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量和控制工程進(jìn)度每天測(cè)量的數(shù)據(jù)利用南方CASS軟件展繪到電子施工圖上面。

5.2 檢核和精度統(tǒng)計(jì)

在重力點(diǎn)測(cè)量過程中，為了對(duì)RTK測(cè)定重力點(diǎn)的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行控制，在每日施工前；搬遷至新的參考站；接收機(jī)、手簿出現(xiàn)斷電，死機(jī)或參考站斷電造成流動(dòng)站失鎖等故障恢復(fù)后等情況后，須詳細(xì)檢查基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的有關(guān)數(shù)據(jù)，并復(fù)測(cè)重力點(diǎn)或復(fù)測(cè)已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，符合要求后，才能施工。

對(duì)野外采集的各個(gè)重力點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，按照全區(qū)重力點(diǎn)3%～5%的比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重力點(diǎn)復(fù)測(cè)檢查，其檢查計(jì)算公式如下：

Mxy—同精度檢查平面位置中誤差；

△X—檢查值與原始觀測(cè)值的X坐標(biāo)之差；

△Y—檢查值與原始觀測(cè)值的Y坐標(biāo)之差；

n—平面位置質(zhì)檢點(diǎn)總數(shù)。

Mh—同精度檢查高程中誤差；

△h—檢查值與原始觀測(cè)值的高程h之差；

n—高程質(zhì)檢點(diǎn)總數(shù)。

全區(qū)共計(jì)測(cè)量重力點(diǎn)3950點(diǎn)，檢查點(diǎn)200點(diǎn)，檢查比例為5%，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后平面中誤差為Ms=±20.37cm，高程中誤差為Mh=±3.52cm。此測(cè)量精度滿足1:5萬重力勘查測(cè)量精度的要求。

6 結(jié)論

隨著GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在影響GPS衛(wèi)星信號(hào)接收的復(fù)雜地形條件地區(qū)，比如樹木茂密的林區(qū)，山丘間的峽谷等，會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)丟失。流動(dòng)站雖然可以接收到基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)送的差分信號(hào)，接收機(jī)鎖定不到5顆衛(wèi)星，造成接收機(jī)信噪比特別低，流動(dòng)站還是不能工作。這個(gè)問題會(huì)隨著GPS衛(wèi)星顆數(shù)的增加和俄羅斯的GLONASS以及歐洲GALILIE還有中國(guó)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星的發(fā)射得到解決。

綜上所述，GPS定位技術(shù)以其方便、快捷、優(yōu)質(zhì)、高效的特點(diǎn)給重力勘查的實(shí)施帶來了一種新的工作方法，不僅提高重力勘查的精度和工作效率，也將創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]］肖學(xué)年，岳建利，張鵬，宋耀東等.GB/T 18314～2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社

[2]喬仰文，趙長(zhǎng)勝，謝宏全，徐愛功.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測(cè)繪中的應(yīng)用[M].北京：教育科學(xué)出版社，2000：107.

[3]郭瑞民，呂華，王明江，李瑋.GPS測(cè)地技術(shù)在物化探勘查及地質(zhì)普查中的應(yīng)用[J].吉林地質(zhì)，2004，23（2）:121～122.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.055

孫志剛（1961－），男 安徽省宿州市人，工程師，現(xiàn)從事測(cè)繪技術(shù)的研究和生產(chǎn)管理工作。